Tiểu luận: Quá trình hóa già hợp kim Al - Cu

Tiểu luận 5. QUÁ TRÌNH HÓA GIÀ HỢP KIM Al - Cu *** Từ giản đồ pha Al - Cu (hình 2) thấy rằng Cu hòa tan đáng kể ở trong Al ở nhiệt độ cao (cực đại là 5,65% ở 548oC), song lại giảm mạnh khi hạ nhiệt độ (còn 0,5% ở nhiệt độ thường). Khi vượt quá giới hạn hòa tan lượng Cu thừa được tiết ra ở dạng CuAl2II (trong đó II là để chỉ pha này được tiết ra từ trạng thái rắn như Fe3CII trong thép sau cùng tích). Như vậy hợp kim AlCu4: - Lúc đầu ở nhiệt độ thường và ở trạng thái cân bằng (ủ) có tổ chức gồm dung dịch rắn α - Al (0,5%Cu) và một lượng (khoảng 7%) là pha CuAl2II, có độ cứng và độ bền thấp nhất (σb = 200MPa). - Khi nung nóng lên quá đường giới hạn hòa tan (520oC), các phần tử CuAl2II hòa tan hết vào α và chỉ có tổ chức một pha α là Al(4%Cu) và khi làm nguội nhanh tiếp theo (tôi) CuAl2II không kịp tiết ra, tổ chức α giàu Cu được cố định lại ở nhiệt độ thường. Hình 2. Góc Al của giản đồ pha Al - Cu (CuAl2 được ký hiệu là θ) Như vậy sau khi tôi, ở nhiệt độ thường hợp kim có tổ chức khác hẳn lúc đầu, là dung dịch rắn quá bão hòa (với giới hạn hòa tan là 0,5%Cu thì 4%Cu là quá bão hòa) với độ bền tăng lên đôi chút (do mạng bị xô lệch nhất định), σb = 250 - 300MPa và vẫn còn khá dẻo (có thể sửa, nắn được). Song lại thấy hiện tượng đặc biệt khác thép: sau khi tôi, theo thời gian độ bền, độ cứng tăng lên dần và đạt đến giá trị cực đại sau 5 - 7 ngày, σb = 400MPa tức đã tăng gấp đôi so với trạng thái ủ (hình 6.5). Quá trình nhiệt luyện hóa bền như vậy được gọi là tôi + hóa già tự nhiên (để lâu ở nhiệt độ thường). Cơ chế hóa bền khi tôi + hóa già: Cơ chế giải thích sự hóa bền của hợp kim nhôm khi tôi + hóa già do Gunier và Preston đưa ra một cách độc lập nhau từ đầu thế kỷ 20 sau đó đã được chứng minh bằng phân tích tia X là đúng. Có thể giải thích sự hóa bền đó như sau. Dung dịch rắn quá bão hòa tạo thành sau khi tôi là không ổn định, luôn có khuynh hướng trở về trạng thái cân bằng, bằng cách tiết ra Cu và tập trung lại dưới dạng CuAl2. Sự trở về trạng thái cân bằng này xảy ra khá chậm ở nhiệt độ thường và càng nhanh ở nhiệt độ cao hơn với các giai đoạn như sau. - Giai đoạn I. Khi lượng Cu tập trung quá 4% ở một số vùng gọi là vùng G.P có kích thước rất bé (hình đĩa bán kính khoảng 5nm) với sự xô lệch mạng cao nên có độ cứng cao, nhờ đó nâng cao độ bền, độ cứng. - Giai đoạn II. Các nguyên tử Cu trong vùng G.P tiếp tục tập trung và dần dần đạt đến mức 1Cu - 2Al và vùng G.P to lên tạo nên pha  V" (kích thước 10nm, khoảng cách các pha 20nm) rồi  V' (với kích thước lớn hơn). Độ bền đạt được giá trị cao nhất là ứng với sự tạo nên pha  V", khi tạo nên pha V' độ bền bắt đầu giảm đi. ở nhiệt độ thường quá trình kết thúc bằng sự tạo thành pha  V" và đạt độ bền cực đại sau 5 - 7 ngày và duy trì trạng thái này mãi mãi (xem đường hóa già tự nhiên - 20oC - trên hình 6.5). - Giai đoạn III. ở nhiệt độ cao hơn, 50 - 100oC hay hơn, pha V' chuyển biến thành V với cấu trúc đúng với CuAl2 như trên giản đồ pha. Do ở trạng thái cân bằng và pha V có kích thước lớn hơn nên độ bền giảm nhanh đến mức thấp nhất (xem đường hóa già nhân tạo - 100, 200oC trên hình 6.5). Có thể coi V’’ và V’ là các tiền pha của V - CuAl2. Qua đó ta thấy: + Pha CuAl2 có vai trò rất lớn đối với hóa bền hợp kim nhôm: hòa tan vào dung dịch rắn khi nung nóng, tạo nên dung dịch rắn quá bão hòa khi làm nguội và chuẩn bị tiết ra lại ở dạng rất phân tán khi hóa già. Không có nó hợp kim không thể hóa bền được, nên người ta gọi nó là pha hóa bền. Hình 2: Sự thay đổi giới hạn bền theo thời gian (hóa già) sau khi tôi của hợp kim AlCu4 + Nhiệt luyện hóa bền bằng cách tôi rồi tiếp theo sau là: • Hóa già tự nhiên: bảo quản ở nhiệt độ thường trong 5 - 7 ngày, hoặc muốn nhanh hơn. • Hóa già nhân tạo: nung nóng ở 100 - 200oC trong thời gian thích hợp (chừng vài chục h tùy theo từng nhiệt độ cụ thể) để đạt đến độ bền cao nhất do tạo nên tiền pha θ (nhưng nếu kéo dài quá quy định độ bền sẽ giảm đi và không đạt được giá trị cực đại do tạo nên pha θ). Họ AA 2xxx (đura) Họ này thuộc hệ Al - Cu - Mg. Về cơ bản chúng là hợp kim với trên dưới 4%Cu (2,6 đến 6,3%) và 0,5 - 1,5%Mg có tên là đura (từ tiếng Pháp duraluminium - nhôm bền, cứng). Cu và đặc biệt là Mg (cùng với Cu) là các nguyên tố có tác dụng nâng cao hiệu quả của nhiệt luyện tôi + hóa già vì chúng tạo nên các pha hóa bền, ngoài CuAl2 còn có CuMg5Al5, CuMgAl2 có tác dụng mạnh hơn. Tuy nhiên trong thành phần của đura phải kể ra sáu nguyên tố (them Fe, Si và Mn), trong đó: Fe và Si là hai tạp chất thường có (các hợp chất chỉ chứa Fe và đồng thời cả Fe, Si không hòa tan vào Al khi nung nóng nên không có tác dụng hóa bền, lại còn làm giảm lượng pha hóa bền, nên rất có hại), Mn được đưa vào với lượng nhỏ để làm tăng tính chống ăn mòn. Các mác AA 2014 và AA 2024 được dùng nhiều trong kết cấu máy bay, dầm khung chịu lực xe tải, sườn tàu biển, dụng cụ thể thao...